[논문]변압기의 3차원 온도분포 해석

오연호; 송기동; 선종호

문제 정의

온도분포 해석과정에서 상용 CFD가 제공하는 제한된 기능으로 변압기를 3 차원으로 모델링하기 위한 계산 격자 구성기법, 권선 층<layer) 의 간소화 기법에 대한 검증, 열원(heat source)의 입력, 경계 조건 설정 등이 다방면으로 시도되었다. 궁극적으로 본 논문을 통해 시험으로 검증된 해석 또는 모델링 기법을 습득하고, 향후 개발될 변압기의 온도 및 냉각특성을 설계단계에서 사전에 파악할 수 있는 보다 진보된 방안을 확립하고자 하였다.
본 연구에서는 변압기의 열적 특성을 파악하기 위해 수치 해석적인 방법을 재정립하고자 하였으며, 해석결과의 신뢰성을 검증하기 위해 여러 변수에 따른 온도상승 시험을 수행하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 직접 400kVA 모델 변압기 2대를 제작하여, 1) 부하율에 따른 온도특성, 2) 냉각매질 종류에 따른 온도특성, 3) 덕트 크기에 따른 냉각특성, 4) 오일의 대류 속도 등을 온도상승 시험을 통해 확보하고, 상용 CFD 프로그램 인 “FLUENT”로 온도분포 해석을 수행하였다. 온도분포 해석과정에서 상용 CFD가 제공하는 제한된 기능으로 변압기를 3 차원으로 모델링하기 위한 계산 격자 구성기법, 권선 층<layer) 의 간소화 기법에 대한 검증, 열원(heat source)의 입력, 경계 조건 설정 등이 다방면으로 시도되었다.
B유, 철심의 재료인 규소강판(Silicone-Iron), 절연재료인 아라미드지(Aramid Paper), 그리고 도체재료인 구리(Copper) 등이다. 각 재료의 물성치를 해당 영역에 부여하였으며, 권선과 철심에는 표 2의 열량을 열원(Heat source)으로 입력하였다. 각 권선 및 철심의 열원은 다음과 같이 계산하였다[8].
그러므로 본체 내부의 권선부와 냉각 오일, 방열판, 그리고 외부의 공기장을 동시에 해석하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 경우 계산에 필요한 요소수가 증가하고, 계산 시간 및 수렴성에 큰 영향을 미치므로 본 해석에서는 외부의 공기장을 제외하여 계산하였다. 또한 모델 변압기가 실내에 설치되어 있으므로, 태양열에 의한 복사열의 효과는 무시하였다.
이 문제를 해결하기 위해 온도센서 사이의 전압차가 발생하지 않도록 온도센서를 인출해야 하며, 변압기 본체에 그림 4와 같이 PVC 파이프를 삽입하여, 전압차가 작은.그룹으로 분리, 한 그룹씩 PVC 파이프를 통하여 인출하였다.
유속측정의 경우 유속이 수 [mm/s]의 초저유속 영역이어서 이를 측정할 수 있는 상용화된 장치가 없는 실정이다. 따라서, 별도의 초저유속 측정장치를 고안하여 설치하였다. 이 방식은 아크릴관 내에 염료(잉크)를 주입하여 염료의 이동거리와 이동 시간으로부터 유속을 계산할 수 있다.
변압기의 열해석 결과를 보다 정확하게 검증하기 위해서는 권선 도체에 직접 온도센서를 부착하는 것이 바람직하나, 권선이 모두 완성된 단계에서 온도센서를 부착해야 하는 문제로 인해, 온도 측정점은 권선 내의 덕트와 권선 바깥쪽, 그리고 유출입구로 한정되었다.
본 시험에서는 동일 피시품 2대를 이용, 단락법보다 정확한 값을 측정할 수 있는 반환부하법을 채택하여 온도상승 시험을 실시하였다. 반환부하법에 따른 온도상승 시험회로도와 측정시스템을 그림 1과 그림 5에 각각 나타내었다.
본 시험에서는 취급이 용이하고 경제적인 열전대 센서를 설치하여 온도를 측정하였다. 이 방식의 온도 측정원리는 열 전다 양단의 온도차에 의해서 나타나는 전압차를 온도측정치 로 바꾸는 것이다.
외부의 공기장을 제외하고 본체만을 해석할 경우, 두 매체가 접해있는 부분에서의 적절한 경계조건이 필요하다. 본 해석에서는, 방열판과 본체에 대류 열전달 계수(Heat Transfer Coefficient)를 이용하여 경계조건을 설정하였다. 대류 열전달 계수 h는 자연대류에서 수직평판에 대한 실험식 (7)과 (8)을 이용하여 구할 수 있다[5].
따라서 본 논문에서는 직접 400kVA 모델 변압기 2대를 제작하여, 1) 부하율에 따른 온도특성, 2) 냉각매질 종류에 따른 온도특성, 3) 덕트 크기에 따른 냉각특성, 4) 오일의 대류 속도 등을 온도상승 시험을 통해 확보하고, 상용 CFD 프로그램 인 “FLUENT”로 온도분포 해석을 수행하였다. 온도분포 해석과정에서 상용 CFD가 제공하는 제한된 기능으로 변압기를 3 차원으로 모델링하기 위한 계산 격자 구성기법, 권선 층<layer) 의 간소화 기법에 대한 검증, 열원(heat source)의 입력, 경계 조건 설정 등이 다방면으로 시도되었다. 궁극적으로 본 논문을 통해 시험으로 검증된 해석 또는 모델링 기법을 습득하고, 향후 개발될 변압기의 온도 및 냉각특성을 설계단계에서 사전에 파악할 수 있는 보다 진보된 방안을 확립하고자 하였다.
권선에서의 온도 측정점 위치를 그림 3에 나타내었다. 저압 및 고압 권선 사이의 덕트 내부에 8개(L1~L4, H₁-H₄), 철심 상단(C₃) 및 덕트(C₁, C₂)에 3개를 부착하였으며, 고압 권선 외측의 도체에 3개(H₅~H₇)의 온도센서를 부착하였다. 또한 유출입구에 2개의 센서를 취부하여 총 16개의 센서를 부착하였다.

대상 데이터

모델 변압기의 구성 요소로서는 , 냉각 오일로 사용된 a유 및 B유, 철심의 재료인 규소강판(Silicone-Iron), 절연재료인 아라미드지(Aramid Paper), 그리고 도체재료인 구리(Copper) 등이다. 각 재료의 물성치를 해당 영역에 부여하였으며, 권선과 철심에는 표 2의 열량을 열원(Heat source)으로 입력하였다.
, 냉각매질로 사용된 a유와 B유는 물질특성치가 서로 유사하나 점도값이 a유에 비해 B유 가 훨씬 크다. 변압기의 구조는 단상 내철형이며, 냉각방식은 유입자냉식, 그리고 절연지로는 아라미드지(Aramid paper) 를 이용하였다.

이론/모형

변압기내에서 대류하는 냉각매질의 난류(turbulence)를 고려하기 위하여 본 연구에서는 k-e 난류모델을 이용하였다 [10],

성능/효과

1) 변압기의 형상을 3차원으로 모델링하여 온도분포 해석을 한 결과, 변압기의 냉각효과를 검증할 수 있는 해석기법을 확립할 수 있었다.
2) 권선 내 덕트 크기와 냉각매질이 다르고, 사양은 동일한 변압기의 온도상승 시험을 수행한 결과, 점도가 a유보다 큰 B유를 사용한 모델 변압기 2가 a유를 사용한 모델 변압기 1에 비해 냉각효과가 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 부하율에 따른 a유와 B유의 온도특성 시험결과를 확보 하여 정보화(Database)할 수 있었다.
3) 권선 및 덕트에서의 온도분포 해석결과, 측정치와 비교하여 최대 14%의 오차를 갖고 있다. 또한 부하율 변경에 따른 최고온도 분포는 측정치에 비해 5% 미만의 오차범위 를 가지는 만족스러운 결과를 얻었다.
3) 권선 및 덕트에서의 온도분포 해석결과, 측정치와 비교하여 최대 14%의 오차를 갖고 있다. 또한 부하율 변경에 따른 최고온도 분포는 측정치에 비해 5% 미만의 오차범위 를 가지는 만족스러운 결과를 얻었다.
온도센서의 위치는 그림 3에서 H₄, Hl, H₂ 순이며, 권선 높이의 2%, 50%, 95%에 해당된다. 또한 정격부하에 대해 90~130%까지의 전원을 인가하여 온도를 측정하였으며, 권선 높이에 따라 대체 적으로 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다.
본 연구결과를 통하여 변압기 온도분포에 대해 매우 신뢰성 있는 예측이 가능하게 되었다. 따라서 변압기 냉각특성에 대한 사전 검증은 물론, 냉각효과를 증대시키기 위해 덕트 구조, 격벽 위치 등의 설계변수를 개선하는데 본 연구결과가 활용될 수 있을 것이다.
위치에서의 해석결과 및 측정결과를 비교하여 나타내고 있다. 측정치에 대해 해석치는 5% 미만의 오차 범위를 갖고 있으며, 부하율이 증가할수록 최고온도는 대체적으로 선형적인 분포를 나타내고 있다.

후속연구

본 연구결과를 통하여 변압기 온도분포에 대해 매우 신뢰성 있는 예측이 가능하게 되었다. 따라서 변압기 냉각특성에 대한 사전 검증은 물론, 냉각효과를 증대시키기 위해 덕트 구조, 격벽 위치 등의 설계변수를 개선하는데 본 연구결과가 활용될 수 있을 것이다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

변압기의 3차원 온도분포 해석
3-D Analysis of Temperature Distribution in Transformers 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

변압기의 3차원 온도분포 해석 3-D Analysis of Temperature Distribution in Transformers 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

오연호 (16) 송기동 (30) 선종호 (30)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

변압기의 3차원 온도분포 해석
3-D Analysis of Temperature Distribution in Transformers 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper